多相流动的基本理论

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1、第二章多相流动基础理论2.1.4多相流动理论模型和数值方法特征时间流动时间（停留时间）：扩散驰豫时间：平均运动驰豫时间：流体脉动时间：颗粒间碰撞时间：无滑移流（平衡流）强滑移流（冻结流）扩散——冻结流扩散——平衡流稀疏悬浮流稠密悬浮流主要内容（气固多相流）长期以来，气固两相流动的研究中按照对颗粒的处理方式不同，主要有两大类模型确定轨道模型随机轨道模型单颗粒动力学模型（SPD模型）颗粒轨道模型（PT模型）小滑移模型（SS模型）无滑移模型（NS模型）拟流体（多流体）模型（MF模型）离散介质模型连续介质模型本章要义各种颗粒模型的一些基本

2、观点颗粒相模型基本观点颗粒对流体的影响相间滑移坐标系颗粒相输运性质单颗粒动力学模型离散体系不考虑有拉格朗日无，扩散冻结颗粒轨道模型离散体系考虑有拉格朗日无（确定轨道）；有（随机轨道模型）小滑移模型连续介质不考虑有（滑移=扩散）欧拉有（扩散=滑移）无滑移模型连续介质部分考虑无（动力学平衡，热力学平衡或冻结）欧拉有（扩散平衡）拟流体（多流体）模型连续介质全部考虑有欧拉有按各种模型提出的时间大致顺序无滑移模型小滑移连续介质模型滑移-扩散的颗粒群模型分散颗粒群模型双流体模型颗粒轨道模型拟流体模型（连续-连续介质模型）前提：在流体中弥散的颗

3、粒相也是一种连续的流体；气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各自满足连续性方程、动量方程和能量守恒方程。无滑移模型（No-slipModel)颗粒群看作连续介质，颗粒群只有尺寸差别，不同尺寸代表不同相；颗粒与流体相间无相对速度；各颗粒相的湍流扩散系数取流体相扩散系数相等；相间相互作用等同于流体混合物间各成分相互作用，相间阻力不计。基本假设：小滑移连续介质模型（Soo-drewSlipModel)颗粒群看作连续介质，不同尺寸组代表不同相；各组尺寸颗粒群速度不等于当地的流体相速度，各颗粒相之间的速度亦不相等，即各颗粒相间、与流体相间有

4、相对速度；相间的相互作用类似于流体混合物中各种组分之间的相互作用，颗粒相和流体相间的阻力忽略不计；颗粒的运动是由流体的运动而引起的，颗粒相的滑移是由于颗粒相对于多相流整体的湍流扩散所致，故这种小滑移也称为湍流飘移;多相混合物整体与各相之间的关系，仍类似于多组分流体混合物和各流体组分间的关系.基本假设：滑移-扩散的颗粒群模型(Slip-diffusionModel)各相时均速度差异造成滑移的主要部分，由于各相的初始动量不同引起；扩散漂移造成滑移的小部分；空间各点各尺寸组的速度、尺寸、温度等物理参数均不相同。基本假设：拟流体模型小结无

5、滑移模型：颗粒相的宏观运动而引起的质量迁移是由流体运动引起的；小滑移模型：混合物运动引起的滑移-扩散模型：颗粒相自身的宏观运动引起了质量迁移拟流体模型数值方法常用数值模拟方法传统模式理论直接模拟大涡模拟离散涡方法格子气湍流流场数值模拟方法简介双方程模型非线性模型多尺度模型RNG模型Reynolds应力模型（RSM）代数应力模型（ASM）FLT模型SSG模型湍流模式理论以Reynolds时均运动方程和脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的接合，引进一系列模型假设，从而建立一组描写湍流平均量的方程组。湍流模式理论简介对经验数据的依赖性;

6、将脉动运动的全部细节一律抹平从而丢失大量重要信息;目前各种模型，都只能适用于解决一种或者几种特定的湍流运动。湍流模式理论局限性计算机发展数值算法发展直接模拟（DNS)技术的应用出现大型并行计算机Petaflops（1015）级有限差分有限元谱方法小波变换自适应网格并行计算技术方程本身是精确的，不含任何认为假设和经验常数，仅有的误差只是由数值方法引入的误差。计算包括脉动运动在内的湍流所有瞬时流动量在三维流场中的时间演变;不用任何湍流模型，直接数值求解完整的三维非定常的N-S方程组;湍流直接模拟（DNS）简介湍流旋涡结构包括大尺度涡和

7、小尺度涡大尺度涡小尺度涡湍流流场涡结构图直接模拟计算量太大，很难计算工程实际高雷诺数湍流流场。为什么要大涡模拟？湍流大涡模拟简介流场大尺度涡小尺度涡决定湍流流场的基本形态和性质；流场质量、能量的主要携带者；高度各向异性,无法建立统一模型。由大涡非线性作用产生；流场能量的主要耗散者；近似各向同性,可以考虑建立统一模型。小尺度涡对大涡的影响用模型进行模拟大涡模拟思想对大尺度涡进行直接模拟拟流体模型现状为了能更完整地考虑颗粒相各种湍流输运特性以及相间的滑移和耦合，Spalding等[1]首先提出了双流体模型。周力行教授对双流体模型进行了

8、深入的研究。他们针对各向同性流动，提出了颗粒湍动能输运方程的模型[2]。针对各向异性流动，则将单相湍流流动的RSM模型推广至气固两相流中，提出了统一二阶矩模型（USM）[3]。拟流体模型现状概率密度函数（PDF）方法被引用于构造双流体模型的两相湍流